窄深河谷大夹角泄洪洞挑流消能方案的试验研究

李 伟

(水利部新疆维吾尔自治区水利水电勘测设计研究院， 新疆 乌鲁木齐 830000)

新疆玉龙喀什水利枢纽工程是玉龙喀什河山区河段的控制性水利枢纽工程，通过与乌鲁瓦提水利枢纽联合调度，以调控生态输水、灌溉补水为主，结合防洪，兼顾发电等综合利用，为Ⅱ等大(2)型工程。挡水建筑物为混凝土面板堆石坝，正常蓄水位2 170.00 m，设计洪水位2 170.21 m，校核洪水位2 171.55 m，最大坝高233.5 m，目前在同类型工程中排名世界第三，受坝高因素控制，水库消落深度较大，结合工程区地形地质条件，泄水建筑物具有含沙量大、水头高、河谷狭窄、岸坡陡、下游河道及岸坡抗冲能力较低的特点。

工程位于高山峡谷区，河谷两岸山体雄厚，1#深孔布置在河床左岸，出口消能段位于大坝下游河弯处，距离上游已建交通桥约60 m，与现代河床形成约20°夹角，该处河槽呈“V”型，河槽下切剧烈，槽底宽15 m～25 m，河槽深约30 m～45 m，自然边坡50°～65°，河槽右岸岸坡为顺向坡，岸坡稳定问题较为突出，已建交通桥左岸桥基位于深厚胶结砂砾石地层上，抗冲能力低。因河槽狭窄陡峻，底流消能势必造成高边坡和投资高的问题，已不适用本工程，因此采用挑流消能，而该地形地质条件在我国也较为罕见[1-5]，综合以上因素，研究怎么减小泄洪淘刷和雾化对岸坡稳定的影响，冲刷坑深度对已建交通桥的安全影响，是1#深孔出口消能的关键和重点。

1 研究方法

针对1#深孔窄深河槽出口消能工体型的问题，我国专家也有非常深的研究，有较多成功经验可借鉴。如查双全等[6]在曼转河水利枢纽工程中应用高低坎体型控制挑射水流落点，减轻对岸山体的冲刷；池明阳等[7]利用多面体消能工+异型挑坎的体型，解决了枕头坝江沟泄洪洞出口挑流归槽问题；谭哲武等[8]开展了窄缝燕尾式组合挑坎工的研究，认为该体型对减弱下游河床覆盖层冲刷具备良好效果；邱勇等[9]采用斜鼻坎体型优化了黑石罗水电站泄洪洞出口消能工，水舌在平面上转向且沿竖向大幅拉开，大幅降低挑射水流对下游的冲刷；徐敏[10]研究表明燕尾坎对射流轴线与主河槽中心线交角相对不大的情况具有较好的适应性。然而对于窄河谷、浅水垫的工程，不仅要考虑射流对冲击岸坡影响，还要考虑减轻河道的冲刷以防止破坏护岸，消能工布置难度极大。奉紫岑等[11]基于某水利工程的物理模型，解决了必须在河道弯曲部位布置底流消能工的技术难题。明福林等[12]认为一些景点中的小型水库泄洪建筑物应兼顾美观，将泄水作为景观。肖兴斌[13]采用表孔、底孔、消力池联合消能，戽流消能、挑流消能、空中碰撞消能等消能方式，解决了高坝中大流量的泄水建筑物消能问题。谢德瑞[14]介绍了山仔水利枢纽工程与其下游消能关系，并进行枢纽整体模型试验研究和方案比较，选定合理的枢纽布置方案。杨家修等[15]通过云南如美水利枢纽中的整体泄水建筑物出口模型试验，采用多个方案进行对比，结果表明这种大交角挑流式消能的水垫塘下游加设二道坝，将会恶化出流与下游河道的衔接，其消能的效果与河谷宽度、下泄流量及二道坝高度等因素密切相关。

为验证1#深孔出口消能工水力特性及消能防冲设计的合理性，以及对岸坡稳定和上游交通桥基础的影响，在前人研究的窄深河槽消能体型的成果和基础上，展开模型试验研究。

2 原设计方案试验

2.1 1#深孔设计方案

1#深孔由进口引渠段、有压洞身段、进口闸井段、无压洞身段、出口挑坎段组成(见图1)。其中有压洞长100.8 m，洞径7.0 m；闸井段长31.5 m，布设一道事故门和一道弧形工作门；无压洞身段长1 024.9 m，城门洞型b×h=6 m×6 m；出口挑坎采用正鼻坎，长16 m，底宽6 m，半径40 m，挑角17.784°，坎顶高程1 987.84 m，下游河床高程1 962.00 m左右，泄洪时上游水位2 080.00 m，下游水位1 966.63 m，最大泄量401.83 m3/s，单宽流量66.97 m3/s，最大流速22.37 m，最大挑距104.66 m，最大冲坑深度45.81 m，冲坑后坡比1.0∶7.2。

图1 1#深孔平面布置及挑坎体型图

模型按照重力相似准则建立1∶50模型集合比尺进行试验，其它水利参数见表1。河床按松散颗粒允许流速为相似条件模拟动床。为研究最不利冲刷情况，动床试验以最不利工况进行对比分析。每个工况在上下游水位稳定后，当冲淤形态不再发展变化时结束试验，试验时间约6 h。

表1 水力参数比尺

2.2 1#深孔原设计方案试验

1#深孔进口及洞身段试验数据在此不再赘述，重点描述出口挑流消能试验。原方案出口水舌挑距70.8 m、入水宽度13.0 m，下游冲坑区域长约110 m，冲刷坑深18.46 m，局部单位水体消能率较高达14 kW/m3～17 kW/m3，与小湾、溪洛渡、二滩等采用水垫塘消能的高坝工程相当，冲坑上游坡比约1.0∶2.6，下游坡比约1.0∶3.0。近右岸流速5.1 m/s～5.8 m/s，近左岸流速3.0 m/s～4.3 m/s。挑流水流流态和下游冲刷坑地形如图2所示。

由图2可看出冲坑上游淤积不明显，对电站尾水位影响不大。但水舌入水较为集中，水舌落点偏于右岸，水流消能不充分，右岸水流冲击和爬坡问题也较为严重，岸坡淘刷带来的稳定问题较为突出，需对挑坎体型进行优化试验研究，以适应窄深河槽的不利地形条件。

(a) 水流形态 (b) 冲坑

3 优化体型试验结果

3.1 挑坎体型初步优化

由于左岸高陡边坡地形条件限制，1#深孔轴线不具备左移的条件，因此，重点研究挑坎体型的优化，为减小对右岸岸坡的影响，将挑坎左、右侧边墙调整为半径198 m、100 m的圆弧，使左侧边墙向右偏转3.48°，挑角12.61°，挑坎顶高程1 986.56 m。右侧边墙向左偏转9.21°，挑角26.82°，挑坎顶高程1 988.9 m。如图3所示。

(a) 初优体型 (b) 初优水流形态

初步优化挑坎体型，水舌挑距71.5 m，入水宽度15.5 m，水舌落点较原方案向左偏移约15 m，落点右边缘位于河道中部，但落点左边缘已至左岸边坡。尽管采用切斜、左右不同挑角等措施，但水流出射后并没有形成纵向拉开，水流挑至高点后横向扩散，因此，从平面上看，表面主流仍然略偏于右岸，主流轴线并没有得到有效偏转，河道流速仍然右岸高、左岸低，水舌落点下游100 m范围内近右岸流速4.9 m/s～5.4 m/s，近左岸流速4.1 m/s～4.8 m/s。冲坑最低处高程1 944.74 m，较原方案提高1.2 m，优化效果不显著。

3.2 挑坎体型进一步优化

由于河道狭窄，偏转挑坎直墙角度很难兼顾左、右岸。为使射流归槽，并减轻水流对河床的冲刷，需要减小入水单宽流量，但此处不宜采用横向扩散体型，容易导致水流冲击两岸山坡。因此拟采用窄缝体型束窄水流，以使水流从最高点下落至水面过程中自然横向扩散。在初步优化的基础上，从上游洞身约7 m处开始左右两侧边墙采用不对称收缩，左侧末端收缩0.75 m、收缩坡度2.4%，右侧末端收缩1.75 m、收缩坡度5.6%。如图4所示。

(a) 进一步优化挑流体型 (b) 进一步优化后水流形态

通过优化，水流呈舌状分布入水，纵向和横向都形成了一定扩散，水舌左右两侧挑距69.2 m、中部挑距73.8 m，水舌入水宽度17.0 m，单宽流量较原方案减小约30%，且左、右边缘均未冲击左、右岸边坡。河道左右岸流速分布较原方案明显提升，河道流速整体下降，水舌落点下游100 m范围内近右岸流速4.5 m/s～5.0 m/s，近左岸流速3.8 m/s～4.5 m/s。冲坑区域最低处高程1 949.44 m，较原设计方案提高4.9 m。优化效果相对较好，但水舌仍相对集中，未顺河道纵向大幅拉开，还有进一步优化空间。

3.3 挑坎体型最终优化

经过以上两个方案优化可看出，利用河槽横向空间消能的限制较大，欲进一步提升消能效果、减轻河道冲刷，需充分利用河道的纵向空间，因此，消能工优化目标是水舌纵向拉伸、横向收缩。因河槽狭窄难以采用大扭转挑坎方案纵向拉伸水舌，最终修改方案考虑采用"左挑右俯、分层出流、纵向拉伸"的挑坎体型，从桩号1+008.882处通过鲨鱼翅分流墩分流，左侧挑射流量与右侧俯射流量比例2∶1。右侧俯射部分“沿程横向扩散、末端折角收缩”，出射俯角10°。左侧挑射部分左边墙平直，右边墙向左偏转9°，右边墙尾部增加一倒梯形贴块，以进一步偏转水流；底板左侧出射角8.78°、右侧出射角40.55°。如图5所示。

图5 1#深孔最终优化挑流体型

最终优化方案水流流态和下游冲刷坑地形如图7所示，挑射流和俯射流分为上下2层，左侧挑射流挑距55.5 m～78.5 m，纵向拉伸23 m；俯射流挑距19.5 m～54.5 m，纵向拉伸35 m。两股水流在空中未碰撞，水流均未冲击左右岸坡，且入水水流轴线基本与河道走向一致，其中俯射流泄量较小，水舌薄，入水宽度3.2 m，落点相对更偏于左岸；挑射流泄量较大，起挑后部分水流仍横向扩散，落点横向占宽相对较大，入水宽度16.3 m。水流归槽且纵向大幅拉伸后，河道流速分布均匀性进一步提升，水舌落点下游100 m范围内近右岸沿程流速为3.8 m/s～4.4 m/s，近左岸沿程流速为3.5 m/s～4.1 m/s。俯射流落点区域冲坑范围较大、深度较浅，挑射流落点区域冲坑范围较小、深度较深，最低底高程1 952.14 m，较原方案前抬升8.6 m，“左挑右俯、分层出流、纵向拉伸”的异型挑坎体型效果较为显著。与原设计水舌挑距和冲刷坑深度对比见表2。

(a) 最终优化后水流形态 (b) 最终优化后冲坑

表2 挑流鼻坎原设计和优化后水舌挑距和冲刷坑深度对比

3.4 最终挑坎体型雾化影响

根据最终的挑坎体型开展了雾化物模试验，经试验1#深孔泄洪时出口会产生雾化现象，雾化范围及强度影响等值线如图7所示，因出口水舌基本无碰撞，雾源主要是水舌空中扩散以及水舌入水喷溅。受窄深河槽的限制，影响泄洪雾化的范围和强度的因素十分复杂。根据泄洪雾化原观资料分析，参照自然降雨中暴雨的等级标准和地质灾害气象等级划分标准，结合雾化降雨特点，对泄洪雾化降雨进行分级，见表3。

表3 泄洪雾化降雨影响的等级划分

1#深孔泄洪时大雨区(Ⅲ级)纵向范围距出口约80 m，横向扩散至左岸约1 992 m高程，向右扩散区域处于河道内；小雨区(Ⅱ级)纵向范围距出口约120 m，横向扩散至左岸约1 996 m高程，扩散至右岸约1 992 m高程，1#深孔泄流雾化等值线图见图7。根据雾化试验成果，下游雾化会对岸坡稳定、交通有一定的影响，但雾化影响不严重，雾化问题不突出。为避免雾化对下游岸坡稳定产生破坏，对下游左右岸岸坡采用喷锚支护处理。

图7 泄洪雾化范围及强度影响等值线

4 结 论

1#深孔从水头、流量、单宽流量等指标上来看并不突出，但其特殊性在于下游河道十分狭窄，水面宽仅25 m左右，横向扩散空间受限；射流轴线与下游河道轴线夹角约20°，水流纵向难以拉开；从原设计消能效果来看，下游河道水垫深度仅约7 m，河道底部及两岸边坡面临较严重冲击与淘刷，而采用常规大夹角挑流消能的有效空间严重不足，因此通过模型试验来优化挑坎体型，以解决工程面临和存在的问题十分必要。最终优化的挑坎体型，适宜了工程的条件，从下游水流流态、冲刷坑深度、雾化影响范围来看，均得到了有效控制，采取较小的工程措施即可有效解决岸坡稳定带来的安全问题。但该异型挑坎体型给工程的实施也带来了一定的难度，受分层出流高差的影响，挑坎基础开挖处理较为困难。

总体来说，囿于特殊的地形条件和窄深河槽条件限制，采用特殊的异型挑坎是可取的，其“左挑右俯、分层出流、纵向拉伸”的挑坎体型对同类型的工程有一定借鉴作用。